1 引言
CNC （Computerized Numerical Control）是計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)的英文縮寫，也稱數(shù)控系統(tǒng)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。
今天，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)制造也提出了更高的目標(biāo)和要求：產(chǎn)品制造周期要求越來越短，零部件的生產(chǎn)效率和柔性化生產(chǎn)的程度越來越高，產(chǎn)品的加工質(zhì)量和性能也要求更高、更穩(wěn)定。CNC系統(tǒng)也從一般的產(chǎn)品的零部件加工控制（如車削、銑削、高速切削、等標(biāo)準(zhǔn)CNC數(shù)控機(jī)床）被逐步發(fā)展應(yīng)用到產(chǎn)品的組裝、包裝乃至產(chǎn)品的運(yùn)輸（如焊接、點(diǎn)膠、封裝，工業(yè)機(jī)器人、等CNC產(chǎn)業(yè)機(jī)械）等整個(gè)生產(chǎn)制造過程中去。
本文以一臺(tái)齒輪淬火機(jī)床CNC系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)為例，詳述了如何利用中達(dá)電通PUTNC-H4通用系列CNC、臺(tái)達(dá) DELTA交流伺服系統(tǒng)，并結(jié)合客戶產(chǎn)品加工的工藝特點(diǎn)，為產(chǎn)業(yè)機(jī)械打造出客制化的CNC控制方案。
2 齒輪淬火機(jī)床對(duì)控制系統(tǒng)的要求
2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)
機(jī)械設(shè)計(jì)為3軸伺服控制和1軸變頻器控制：
（1）Y軸為旋轉(zhuǎn)軸，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)加工零件類型時(shí)的轉(zhuǎn)速要求而有所不同，分為伺服和變頻器拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)兩種傳動(dòng)方式，當(dāng)加工齒輪類零件時(shí)，伺服電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)和齒輪盤兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)被加工齒輪做分度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加工零件為光軸類零件時(shí)，Y軸伺服電機(jī)停止工作，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)改變?yōu)樽冾l器拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過同步帶，帶動(dòng)光軸零件高速旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)解決了伺服電機(jī)經(jīng)過兩級(jí)減速后，Y軸轉(zhuǎn)盤速度無法滿足光軸類零件的淬火工藝要求的問題。兩種傳動(dòng)方式通過電氣互鎖，確保安全。
（2）Z軸為垂直軸，通過伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，帶動(dòng)淬火加熱感應(yīng)器上下運(yùn)動(dòng)，
（3）X軸為水平軸，同樣通過伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，帶動(dòng)淬火感應(yīng)器前后進(jìn)給。其中Y軸伺服和Z軸伺服要求具有兩軸插補(bǔ)功能，這樣可以實(shí)現(xiàn)斜齒輪類和人字形齒輪類零件的淬火加工，而X軸伺服單動(dòng)即可。
機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
圖1 淬火機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)
2.2 零件加工的工藝要求
（1）機(jī)床要求能夠加工直齒輪、斜齒輪、人字形齒輪、階梯齒輪的淬火加工。齒輪的加工最大直徑2米，齒頂高0.8米。最大齒數(shù)100齒。
（2）機(jī)床在更換淬火感應(yīng)器靠模后，還可以實(shí)現(xiàn)光軸類零件的淬火要求。
（3）配合不同的淬火感應(yīng)器靠模設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)的淬火方式：連續(xù)淬火、同時(shí)淬火、分段連續(xù)淬火（分段淬火通過程序設(shè)定，不需行程開關(guān)）、分段同時(shí)淬火。
（4）齒輪淬火加工順序要求間隔加工，以便留有足夠冷卻時(shí)間，保證齒輪最小的加工熱變形，以齒數(shù)10為例，即按照1、3、5、7、9、2、4、6、8、10淬火順序加工。
（5）要求各伺服軸，空行程速度F0和淬火加工速度F1分段可調(diào)，齒輪分度旋轉(zhuǎn)時(shí)速度穩(wěn)定。
（6）連續(xù)零件自動(dòng)加工時(shí)，應(yīng)保證足夠的絕對(duì)精度，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。
2.3 控制系統(tǒng)要求
機(jī)床操作上要求有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，以及程式編輯模式三種基本工作狀態(tài)。
（1）在手動(dòng)調(diào)試模式下：CNC系統(tǒng)可以通過操作面板控制伺服軸，快速JOG移動(dòng)和MPG
手輪移動(dòng)，方便操作工人調(diào)節(jié)感應(yīng)器靠模和齒輪工件的位置；手動(dòng)情況下可以通過外部的按鈕來實(shí)現(xiàn)Y軸變頻電機(jī)旋轉(zhuǎn)ON/OFF、淬火感應(yīng)器加熱ON/OFF、噴液電磁閥ON/OFF、輔助噴液電磁閥ON/OFF控制，方便操作者調(diào)機(jī)測(cè)試使用。（I/O規(guī)劃參見方案的制定和實(shí)施）
（2）在自動(dòng)運(yùn)行模式下：CNC系統(tǒng)可以按照預(yù)先選用的程序控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，
完成齒輪零件的全部淬火加工過程；可以使用自定義M代碼來實(shí)現(xiàn)Y軸變頻電機(jī)旋轉(zhuǎn)ON/OFF、淬火感應(yīng)器加熱ON/OFF、噴液電磁閥ON/OFF、輔助噴液電磁閥ON/OFF，I/O控制(M代碼規(guī)劃參見方案的制定和實(shí)施)；自動(dòng)加工過程中可以實(shí)現(xiàn)任意暫停，單節(jié)測(cè)試等操作功能。
（3）在程序編輯模式下：要求系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)至少500組不同零件加工程式，并可以
對(duì)程式內(nèi)容進(jìn)行編輯；在加工標(biāo)準(zhǔn)的直齒和斜齒齒輪時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)齒輪工藝參數(shù)自動(dòng)生成加工程式；加工光軸類零件時(shí)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的G代碼實(shí)現(xiàn)零件程序設(shè)計(jì)；加工階梯軸類零件時(shí)，不需要增加外部的行程開關(guān)，可以通過多個(gè)程序組合來完成一個(gè)零件的分段淬火加工；在該模式下還可以對(duì)淬火的輔助工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如感應(yīng)器加熱延時(shí)時(shí)間，噴液延時(shí)時(shí)間，齒輪加工空行程時(shí)的速度以及淬火加工時(shí)的速度設(shè)定。
3 中達(dá)電通PUTNC-H4通用系統(tǒng)介紹
PUTNC-H4數(shù)控系統(tǒng)是中達(dá)電通公司針對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制需求開發(fā)的一款通用型CNC數(shù)控系統(tǒng)。該CNC系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是開放的系統(tǒng)架構(gòu)，其CNC的狀態(tài)信號(hào)S bit含義、內(nèi)置PLC的指令信號(hào)C bit含義、系統(tǒng)特殊寄存器R含義、以及系統(tǒng)內(nèi)部特殊變量V定義，被完全開放給機(jī)床制造商使用，設(shè)計(jì)者只需配合專用的PLC編輯軟件和LCD畫面編輯軟件就可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)，從而打造出符合產(chǎn)業(yè)機(jī)械工藝要求和最終用戶操作要求的客制化CNC系統(tǒng)，如圖2所示。
圖2 PUTNC-H4數(shù)控系統(tǒng)
PUTNC-H4通用系統(tǒng)的特點(diǎn)：開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，內(nèi)含嵌入式 PLC ，可應(yīng)用各類產(chǎn)業(yè)機(jī)械和自動(dòng)化設(shè)備。高清晰LCD液晶顯示，用戶可以自行規(guī)劃畫面內(nèi)容。配合PLC開發(fā)，可面板自定義按鍵功能，使操作更靈活。最大4軸伺服接口, 響應(yīng)可達(dá)500Kpps。 解析度可設(shè)定至 7 位數(shù)，全閉環(huán)控制架構(gòu)，控制精度更高。最大提供2組D/A輸出、A/D輸入。提供標(biāo)準(zhǔn)的24點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出，可選配I/O擴(kuò)展單元，56點(diǎn)輸入，64點(diǎn)輸出。具有主仆模式功能和被動(dòng)ENCODER反饋功能，輕松構(gòu)建主從追隨和同步裁剪功能。支持標(biāo)準(zhǔn)G代碼，提供變量表格編程和教導(dǎo)程序輸入功能，編程更靈活。更具有MACRO宏指令，可以進(jìn)行數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算，NC編程功能更強(qiáng)大。程序存儲(chǔ)容量 512K byte，NC程序組別高達(dá)1000組。提供RS232C標(biāo)準(zhǔn)接口，可連接個(gè)人電腦（PC）實(shí)現(xiàn)DNC 在線加工功能。
4 方案的制定和實(shí)施
綜合上述的分析，CNC系統(tǒng)選用PUTNC-H4C-3就完全可以實(shí)現(xiàn)淬火機(jī)床的控制要求。以下將針對(duì)齒輪淬火的主要工藝要求對(duì)方案可行性逐一進(jìn)行分析。
4.1伺服位置控制和變頻器速度控制的實(shí)現(xiàn)
PUTNC-H4C-3具有3個(gè)獨(dú)立的伺服軸通道，可以實(shí)現(xiàn)X/Y/Z，3軸伺服聯(lián)動(dòng)，亦可任意兩軸伺服插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。伺服軸的進(jìn)給速度可以通過G01直線插補(bǔ)的F值設(shè)定。解析度可設(shè)定至 7 位數(shù)，全閉環(huán)控制架構(gòu)完全可以保證足夠的絕對(duì)精度，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。
PUTNC-H4C-3系統(tǒng)還可以提供兩路D/A模擬量輸出接口，輸出0~10V的模擬量電壓。其中一路D/A輸出通過LCD畫面規(guī)劃，直接修改系統(tǒng)變量參數(shù)數(shù)值來設(shè)定系統(tǒng)特殊寄存器R143的大小，用于淬火溫度的控制。另外一路D/A輸出通過設(shè)定系統(tǒng)特殊寄存器R238=5，指定該通道為主軸轉(zhuǎn)速機(jī)能，可以在NC程序中直接通過S代碼設(shè)定變頻馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，用于光軸類零件的淬火加工。
通過PLC編輯，Y軸的伺服馬達(dá)的使能信號(hào)O004和變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)O000電氣互鎖，確保機(jī)械安全。CNC控制架構(gòu)如圖3所示。
圖3 CNC控制架構(gòu)
4.2 系統(tǒng)的I/O規(guī)劃，以及自定義M代碼功能的實(shí)現(xiàn)。
機(jī)床制造商通過專用的PLC編輯軟體可以對(duì)PUTNC-H4通用系統(tǒng)的內(nèi)置PLC進(jìn)行編輯，可以實(shí)現(xiàn)PLC I/O規(guī)劃、電氣安全互鎖和用戶自定義M代碼功能。CNC淬火機(jī)床I/O規(guī)劃如表1所示。
表1 CNC淬火機(jī)床I/O規(guī)劃
CNC淬火機(jī)床自定義M代碼如表2所示。
表2 淬火機(jī)床自定義M代碼
自定義M代碼PLC規(guī)劃范例如圖4所示。
圖4自定義M代碼PLC規(guī)劃范例
4.3系統(tǒng)的操作功能的實(shí)現(xiàn)
PUTNC-H4系列通用數(shù)控系統(tǒng)是具有標(biāo)準(zhǔn)CNC的功能，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動(dòng)控制。通過數(shù)控面板的操作可以實(shí)現(xiàn)模式切換、基本G代碼編程、MPG手輪功能、任意暫停、單節(jié)測(cè)試等操作功能。
機(jī)床制造商只需根據(jù)產(chǎn)業(yè)機(jī)械最終用戶的操作
